基于Tournament Caching的低功耗动态可重构Cache研究

摘要

在当代计算机系统中，处理器的速度远远高于存储器的速度。Cache技术是提高数据访问性能的经典技术，在计算机系统的性能优化中发挥了重要的作用，但Cache同时也占据了计算机系统的大部分功耗。研究高性能和低功耗的Cache，对于计算机系统，特别是嵌入式系统，有重要意义。 本文主要从动态可重构的角度研究嵌入式系统中Cache低功耗技术，分析了已有的高性能低功耗Cache技术的不足，重点介绍了一种动态可重构Cache设计技术Tournament Caching，在此基础上提出了两种低功耗动态可重构cache模型。 第一种是适用于L1 I-Cache的不定路数变化的竞争Cache，该Cache模型对Tournament Caching的调度策略进行了优化，并且在Cache的运行过程中相联度能够在1，2或4路之间变化，能够更快的适应程序运行时Cache最优参数配置的需要，从而进一步降低Cache的功耗。 第二种是适用于L2 Cache的快速自适应竞争Cache，该Cache模型基于L2Cache容量大，功耗消耗多的特点，并且结合不定路数变化的竞争Cache的优点，相对传统组相联的L2 Cache，能够明显降低功耗。 本文采用体系结构建模仿真工具Simplescalar和Wattch搭建仿真平台，并在其中嵌入本文所提出的两种动态可重构Cache模型，然后在ARM指令集上，对Mibench的benchmark标准测试程序进行仿真。实验结果表明，相对Tourname Caching，不定路数变化的竞争Cache能够进一步降低20％的功耗，而延迟只增加了0.6％；相对传统组相联的L2 Cache，快速自适应竞争Cache能够平均降低将近50％的功耗，而延迟只增加了0.57％。

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论文说明：图表目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2高性能低功耗Cache的相关研究

1.2.1 Cache体系结构及查询方法优化

1.2.2 Cache的低功耗可重构技术

1.2.3其他cache优化方法

1.3本文的主要研究内容及论文结构

第2章Cache存储结构理论

2.1映像规则

2.2查找算法

2.3替换算法

2.4写策略

2.5 Cache的性能和功耗

2.6低功耗可重构Cache

2.7小结

第3章 不定路数变化竞争Cache

3.1传统的组相联Cache

3.2 Tournament Caching

3.3不定路数变化的竞争Cache

3.3.1不定路数变化竞争Cache工作机制

3.3.2不定路数变化竞争Cache运行模式

3.3.3功耗和延迟分析

3.4小结

第4章快速自适应竞争Cache

4.1快速自适应竞争Cache的工作机制

4.2快速自适应竞争Cache的运行模式

4.2.1 N模式工作原理

4.2.2 S模式工作原理

4.2.3 L模式工作原理

4.2.4 M模式的工作原理

4.3功耗和延迟分析

4.4 小结

第5章 仿真实验和结果

5.1实验平台介绍

5.1.1 SimpleScalar

5.1.2 Wattch部分

5.1.3基准测试程序部分

5.2外部参考系统

5.3评估标准

5.4模拟器仿真分析

5.4.1 Cache部分

5.4.2 Power部分

5.5实验结果及分析

5.5.1实验环境

5.5.2常量的确定

5.5.3不定路数变化的竞争Cache仿真及结果

5.5.4快速自适应竞争Cache仿真及结果

5.6 小 结

结论

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)